基于氣流循環運行的碘吸附器性能檢測系統裝置研制

王坤俊 郭哲斌 張崇文 張治權 常 森 王 稹

（中國輻射防護研究院 太原 030006）

0 引言

碘吸附器作為核電站等核設施通風凈化系統的關鍵設備，通過吸附核空氣中的氣態放射性碘，來保障核設施在正常工況特別是事故工況下廠房、環境及人員的安全[1-3]。碘吸附器應用到核電站之前均需要對其性能進行檢測，合格后方可出廠使用。

根據行業標準NB/T 20039.11-2011[4]、NB/T 20039.12-2011[5]以及NB/T 20196.1-2013[6]的規定，碘吸附器設備無論在出廠之前還是安裝在核電站通風凈化系統上之后進行性能檢測試驗時，均需要滿足一定的氣流環境條件，一般規定：折疊式（也稱I型）碘吸附器需要測試其去除放射性氣態甲基碘的吸附效率（或凈化系數），抽屜式（也稱II型）碘吸附器需要測試其機械泄漏率以滿足驗收指標。性能檢測均要求試驗系統滿足風量在額定風量的±10%范圍內，碘吸附器進出口的氣流相對濕度達到要求值（RHI≤40%；RHII≤80%）。當氣流環境的相對濕度較大時，試驗系統往往需要啟動電加熱器提高氣流溫度，以降低入口氣流的相對濕度。若采用進出風開放式系統流程，外界環境濕度持續較大時，加熱器會持續工作，被檢碘吸附器上、下游濕度達到平衡慢，試驗時間長，耗電量大；同時，即使已經采取了必要的凈化防護手段，尾氣排放等方面仍然存在一定的輻射安全風險；另外，根據運行經驗，現有檢測系統的風量調節依靠經驗進行閥門開度的手動調整，精度及穩定性一般較差。

此外，除了對碘吸附器常規的性能檢測需求，在針對碘吸附器相關研究中，經常需要模擬多種異常工況條件，如干燥、高濕度等正常范圍外的環境條件，也需要借助技術手段創造穩定的氣流環境條件[7,8]。

基于對碘吸附器試驗系統的各種條件要求和保護環境、安全運行的理念[9,10]，有必要建立一套開、閉式回路自由切換、且運行參數實時自動監測分析、測試環境精準自調控的碘吸附器性能測試裝置，以實現穩定的試驗環境條件，為碘吸附器的性能檢測及科研試驗提供技術保障。

1 系統裝置

1.1 實驗儀器

Ⅰ型碘吸附器：5cm 厚度活性炭床，中國輻射防護研究院；氟利昂檢測儀(精度為1ppb)：F-1000-HD 型，美國NUCON 公司；脈沖式氟利昂脈沖發生器：MLF-I 型，中國輻射防護研究院；Maestro-32γ 譜儀，中國輻射防護研究院；1223-8-W/MU 型壓力計：0-1600mmH2O，美國Dwyer 公司；SP05-B5 溫濕度計：-20～100℃、0～100%，瑞士Rotronic 公司。

1.2 裝置功能設計

本研究裝置主要用于碘吸附器產品的出廠檢驗以及核電站現場碘吸附器的再鑒定檢測，另外，增加了大范圍溫濕度調節等功能還可滿足碘吸附器及相關研究的需求，設計具備兩大主要功能：

（1）系統環境調節功能，包括：風量自適應調控、濕度自適應調控、溫度自適應調控、內外循環回路切換、循環氣流尾氣凈化。

（2）碘吸附器性能測試，包括：效率測試、機械泄漏率測試、阻力測試。

此外，還可進行不同類型碘吸附器試驗箱體的快速切換、數據自動記錄與存儲等操作。

1.3 系統流程設計

為了實現裝置的設計功能，特別是針對碘吸附器不同性能的工況測試，設計裝置的系統流程分兩種工況：循環工況（效率測試）、開放工況（泄漏率測試）。

整個系統流程及組成如圖1 所示。

圖1 循環式碘吸附器整機性能檢測系統流程圖Fig.1 Process flow of the circulating performance testing system of iodine adsorber

整個檢測裝置系統主要由粗中效過濾器、干燥器、高效過濾器、溫濕度調節器、樣品安裝箱、（后備）碘吸附器及過濾器、風機、閥門、連接管路、安裝支架等組成，通過控制系統自動或手動控制；所有設備最終集成于集裝箱內。裝置布局的三維示意圖如圖2 所示。

圖2 循環式碘吸附器性能檢測裝置的布局圖Fig.2 Layout diagram of the circulating performance testing device of iodine adsorber

其中，示蹤劑注入點前設置溫濕度調節器，用于增大或降低系統溫濕度，在其后設置有混合器，用于將示蹤劑充分混合均勻；在樣品安裝箱上設置有差壓傳感器，用于測試被測碘吸附器的阻力；后備保護的碘吸附器和高效過濾器用于循環工況效率測試時，防止被測碘吸附器不合格而導致放射性示蹤劑泄漏進入下游風管；控制系統方案如圖3 所示，各個模塊通過PLC 作為下位機快速實時響應控制，通過計算機通訊協調各個控制器，實現所需測試的試驗流程，計算機采用工控機。

圖3 控制系統方案Fig.3 Scheme of control system

（1）裝置在氣流循環工況下的工藝流程

在進風狀態下，閥1、閥3、閥5 打開，閥2、閥4 關閉。設備由進風切換到循環工況時，閥1、閥4、閥3 關閉，閥2、閥5 打開，工藝流程圖如圖4 所示。

圖4 效率測試的循環工況工藝流程圖Fig.4 Process flow chart of efficiency test under cycle condition

在此工況下，當氣流環境條件達到要求范圍后，在溫濕度調節器下游的注入點處注入放射性示蹤試劑（放射性甲基碘氣體），同時在上游采樣點和下游采樣點處采集氣流樣品，待樣品采集完成后分析其放射性活度，進而求算出被測樣品的吸附效率。

（2）裝置在氣流開放工況下的工藝流程

當進行泄漏率測試時，所用試劑無毒無害，切換至開放工況，另外，要求的相對濕度范圍比較寬泛，可拆掉干燥器，閥1、閥3、閥4 打開，閥2，閥5 關閉，工藝流程圖如圖5 所示。

圖5 泄漏率測試的開放工況工藝流程圖Fig.5 Flow chart of leakage rate test under open condition

在此工況下，當氣流環境條件達到要求范圍后，在溫濕度調節器下游的注入點處注入示蹤試劑（如氟利昂），同時開啟濃度檢測儀測試上游采樣點和下游采樣點處的示蹤劑濃度，由下游濃度/上游濃度計算得到被測樣品的機械泄漏率。此工況運行時，起后備保護作用的碘吸附器和高效過濾器可以設置在系統回路中，但由于采用的示蹤劑多為無毒試劑，所以一般不需要后備保護凈化，進而設置氣流經過閥門4。

2 裝置關鍵部件及系統檢測實驗

為了驗證循環式碘吸附器整機性能檢測裝置滿足設計技術要求，需進行包括：過濾部件、系統管路密封性[11,12]以及連續運行（≥24 小時）風量變化、露點溫度差、濕度調節等功能是否滿足標準和性能指標要求。

2.1 指標要求

（1）關鍵過濾部件的密封性試驗：各過濾部件箱體泄漏率小于額定工作風量的0.1%；

（2）裝置系統管路（除風機）的泄漏率小于額定工作風量的0.25%；

（3）在額定運行風量1200m3/h、閉式循環連續運行≥24 小時的風量變化小于±10%；

（4）閉式循環時，上下游氣流露點溫度差＜1.0℃；

（5）相對濕度調節要求在環境初始濕度基礎上加濕調節20%以上。

2.2 試驗方法

（1）關鍵過濾部件的密封性試驗

依據ASME N510-2007 核空氣處理系統試驗[11]，采用恒壓法進行試驗，開啟壓力源向箱體內平穩地充壓至試驗壓力，并依靠調節閥保持箱體內壓力維持在試驗壓力，保壓十分鐘。每隔一分鐘記錄一次轉子流量計的讀數，記錄十個讀數，取其平均值，計算該過濾部件的泄漏率。關鍵過濾部件主要包括安裝于系統的粗中效過濾箱、干燥箱、高效過濾箱、后備過濾箱、I 型碘吸附器安裝箱、II 型碘吸附器安裝箱等。

圖6 箱體結構密封性試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of sealing test of box structure

（2）檢測裝置系統管路（除風機）的密封性試驗

整個裝置系統（見圖7）安裝完成，關閉待測系統所有箱體的門、操作口及電動閥，所有永久性的密封都應在試驗開始之前安裝完畢。采用恒壓法進行試驗，開啟壓力源向箱體內平穩地充壓至試驗壓力，并依靠調節閥保持箱體內壓力維持在試驗壓力，保壓十分鐘。每隔一分鐘記錄一次轉子流量計的讀數，記錄十個讀數，取其平均值，計算系統管路的泄漏率。

圖7 裝置實物圖Fig.7 Physical drawing of detection device

（3）風量穩定性試驗

在閉式循環工況下，將系統風量設定至額定風量，長時間（≥24 小時）連續運行，記錄系統風量及對應的測試時間。

（4）碘吸附器安裝箱上下游露點溫度差試驗

在閉式循環工況下，將系統風量設定至額定風量，長時間（≥24 小時）連續運行，記錄碘吸附器安裝箱上下游露點溫度及對應的測試時間。

（5）相對濕度控制試驗

在閉式循環工況下，記錄系統內氣流的初始相對濕度，將碘吸附器安裝箱上游相對濕度設定為初始濕度基礎上增加10%以上，待系統運轉平衡后記錄上游相對濕度，并一定時間內持續保持其穩定性。

3 結果與分析

3.1 裝置的密封性及運行穩定性測試

3.1.1 過濾部件的密封性實驗

依據標準ASME N510-2007 第6 節，采用恒壓法進行實驗，測試裝置關鍵過濾部件的泄漏率，結果如表1 所示。可見，將用于系統固定安裝的過濾箱體，平穩地充壓到3000Pa，并依靠調節閥保持箱體內壓力維持在3000Pa±25Pa，保壓十分鐘，最大允許泄漏率均小于額定工作風量的0.1%，滿足部件的密封性要求。

表1 過濾部件泄漏率實驗結果Table 1 Experimental results of leakage rate of filter parts

3.1.2 系統管路（除風機）泄漏實驗

根據ASME AG-1-2019[12]TA-A 及TA-III 篇，采用恒壓法進行實驗，測試裝置系統管路（除風機）的泄漏率，結果如表2 所示，其泄漏率為0.053%，滿足標準要求的小于工作風量的0.25%。系統管路的密封性保障了試驗過程中的安全性和測試數據的準確性。

表2 系統管路泄漏率試驗結果Table 2 Test results of leakage rate of system pipeline

3.1.3 風量及露點溫度差穩定性實驗

循環式碘吸附器整機性能檢測裝置風量的調節通過設定風機頻率來實現，由于不同運行模式下的系統阻力不同，實測風量隨設定頻率的變化關系如圖8所示。

圖8 不同運行模式下實測風量隨設定頻率的變化關系Fig.8 Variation of measured air volume with set frequency under different operating modes

試驗風量范圍從400m3/h到1400m3/h，選取了多個不同風量值進行了裝置穩定運行，這其中也涵蓋了核電站所用的Ⅰ、Ⅱ型碘吸附器在現場的實際運行風量。可以看出相同頻率時，泄漏率測試工況下裝置的運轉風量要高于循環工況下的風量10%左右，這與泄漏率測試時氣流不經過后備保護床而降低了回路的阻力有關，圖8中風量-頻率的擬合曲線對裝置在使用時的風量設定起到了重要參考作用。

在循環工況下，將系統風量設定為1200m3/h，并測試被測箱體上游氣流的初始相對濕度為22.6%，溫度為17.5℃。設置上游相對濕度為42.6%，保持系統在循環工況下連續運行不低于24小時，連續記錄系統的風量、上下游相對濕度、露點溫度差等參數變化，結果如圖9所示。

圖9 系統運行參數穩定性測試結果Fig.9 Stability test results of operating parameters

可見，系統氣流參數在連續運行情況下具有非常好的穩定性，連續運行大于24小時，其風量波動范圍≤3.75%，遠小于＜10%的設計要求；全過程露點溫度差最大不超過0.75℃，且最大值出現在系統剛達到平衡階段（100min內），之后的波動范圍變小，滿足≤1℃要求；相對濕度從初始的22.6%增加20%，逐漸達到設置的42.6%附近，并基本保持了試驗周期內的長時間穩定控制。系統氣流條件參數的穩定自調控技術提升了實驗及設備檢測的準確性和安全性。

3.2 裝置在碘吸附器性能測試中的應用

以兩臺折疊式碘吸附器為實驗對象，在循環式碘吸附器性能檢測系統上進行了氟利昂法機械泄漏率試驗及去除放射性甲基碘效率（及凈化系數）試驗。試驗方法參照標準“NB/T20196.1-2013核空氣和氣體處理規范試驗規程第1部分：空氣處理系統的現場試驗”。其中，機械泄漏率＜0.01%，去除放射性甲基碘效率＞99.9%分別是兩種碘吸附器檢驗方法的合格標準。為保證計算結果準確有效，結合測量儀器的靈敏度，泄漏率試驗中上游氣流中示蹤劑氟利昂的濃度應大于檢測儀最低檢出限（1PPB）的10000 倍，通常上游濃度控制在10-50PPM范圍；效率試驗時上游活度一般控制在103～104Bq量級，而下游濃度/活度的下限是由不同儀器的探測限決定，上限取決于碘吸附器性能的好壞，即吸附示蹤氣體的情況。

試驗時將一臺碘吸附器樣機裝于樣品安裝箱中，注入、上下游采樣探頭安裝到位，啟動風機，調節系統風量至額定風量（1200m3/h）±10%范圍，待平衡后，測量氣流風量、相對濕度、溫度以及碘吸附器阻力等參數，均滿足試驗規程要求后，首先進行碘吸附器機械泄漏率試驗，此項試驗結束后，風機持續運行，系統保持不變，更換注入、采樣裝置后重新測量系統參數，滿足要求后進行效率試驗，一臺碘吸附器的兩項試驗結束后更換另一臺碘吸附器進行如上試驗。結果如表3 和表4 所示。

表3 折疊式碘吸附器機械泄漏率試驗結果Table 3 Mechanical leakage rate test results of iodine adsorber

表4 折疊式碘吸附器效率試驗結果Table 4 Efficiency test results of iodine adsorber

從各試驗結果可以看出，研制的循環式碘吸附器性能檢測裝置各參數均運行穩定，兩臺被測碘吸附器在兩種工況下的機械泄漏率、凈化系數的結果對照發現，編號1910-02的碘吸附器在密封性能（機械泄漏率）和凈化性能（凈化系數）上均略優于編號1910-01的碘吸附器，同一臺碘吸附器采用不同標準試驗方法得到的結果均具有一致性和穩定性，可以準確測試待測碘吸附器的性能。

4 結論

以實現閉式循環、運行條件的穩定調控以及提升檢測效率和運行安全為研發目標，研制出基于氣流循環運行的碘吸附器性能檢測系統裝置，用于碘吸附器泄漏率、效率性能的檢測。該裝置不僅可涵蓋核電站所用的多種碘吸附器類型，且氣流參數調節控制精度高、多項性能指標測試優于設計值，可實現運行風量400-1400m3/h范圍可調節控制，循環工況下連續運行24h風量變化小于3.75%，上下游露點溫度差最大不超過0.75℃，相對濕度調控穩定，提升了產品檢測的準確性和安全性。在開放工況和循環工況下分別進行機械泄漏率和吸附放射性甲基碘效率試驗，裝置運行穩定性高，結果具有一致性。